3.3. Обоснование рационального метода

предупреждения и ликвидации внутрикарьерных атмосферных инверсий

На протяжении многих лет считалось, что задача по предуп­реждению и оперативной ликвидации внутрикарьерных атмос­ферных инверсий может быть успешно решена при одиночной или последовательной (каскадная схема) работе мощных беструбных вентиляторных установок, обеспечивающих перемешивание воз­душных масс с выносом загрязнений за пределы карьерного про­странства. После разработки и испытания в условиях производ­ства струйных вентиляторов АИ-20КВ, НК-12КВ, УМП-21 и др., ре­ализация таких схем искусственного проветривания стала техни­чески возможной [113].

Однако результаты исследований, проведенных в Горном ин­ституте КНЦ АН СССР, поставили под сомнение эффективность беструбного способа вентиляции глубоких карьеров, исходя из энергоемкости процесса [114]. В работе [115] авторы выполнили численные расчеты каскадных схем беструбного проветривания и установили, что для активного выноса загрязненного воздуха из чаши карьера глубиной 450 м и инверсии γ = - 0,03 К/м понадобятся 7 вентиляторных установок суммарной мощностью 340тыс. кВт. Вы­деление требуемого количества энергии для нужд вентиляции де­лает открытый способ разработки недр неэкономичным.

Такие неутешительные выводы привели к тому, что в последу­ющие годы работы по изысканию эффективных карьерных венти­ляторов были в основном свернуты, а многие исследователи пере­ориентировались на разработку методов и средств очистки возду­ха в застойных зонах за счет распыления воды и генерирования снега, а также средств автономного воздухоснабжения горнора­бочих [116]. В результате при частых нарушениях естественного воздухообмена глубокие карьеры вынуждены работать в «рваном» ритме в условиях сильной запыленности и смога и остаются источ­ником залповых пылегазовых выбросов гигантского объема в пе­риоды смены метеорологической ситуации.

Анализируя достоинства и недостатки известных способов ис­кусственной вентиляции, можно предположить, что при инверси­онном состоянии атмосферы глубокого карьера энергетически выгоднее нагнетать свежий воздух в загрязненные зоны из выше­лежащих более теплых слоев по трубам, что способствует компен­сации дефицита тепловой энергии в атмосфере карьера и налажи­ванию естественного воздухообмена.

Конечно, удельные энергетические затраты на перемещение 1 м³ воздуха через выходное сечение нагнетательной трубопровод­ной системы будут больше, чем у беструбной, но в данном случае этот параметр не имеет решающего значения исходя из того, что к той и другой вентиляционной системе может быть подведено оди­наковое, экономически оправданное количество энергии, недоста­точное для активного выноса загрязненных воздушных масс с глу­боких горизонтов в условиях атмосферной инверсии. Следователь­но, более важно оценить эффективность энергетических затрат этих вентиляционных систем в целях разрушения устойчивого со­стояния внутрикарьерной атмосферы.

Для такой оценки введем показатель эффективности энер­гетического воздействия вентиляционных систем на атмосферу карьера

, (3.27)

где N_B — мощность механического и теплового воздействия венти­ляционной системы на атмосферу карьера, Вт; N — мощность, по­требляемая приводом вентиляционной системы, Вт.

У беструбной вентиляционной системы (БТВС), схематично показанной на рис. 3.7, а, вся потребляемая мощность N преобра­зуется в механическую (кинетическую) энергию воздушной струи N_мех = p_д ∙ Q (p_д — динамическое давление, развиваемое вентиля­тором, Па; Q — объемный расход воздуха в начальном сечении струи, м³/с) и тепловую энергию N_теп = (1 – η) ∙ N (η — общий КПД вен­тилятора с электродвигателем). Поэтому у этой вентиляционной системы К= 1.

Рис. 3.7. Беструбная (а) и трубопроводная (б) вентиляционные системы

При размещении БТВС на верхнем горизонте и нагнетании воз­духа «сверху вниз» эффект воздействия на внутрикарьерную атмос­феру будет ослаблен, так как генерируемая воздушная струя, в силу своей неизотермичности по отношению к окружающей среде, всплывает и получает полное развитие вне чаши карьера.

Мощность, потребляемая трубопроводной вентиляционной системой (рис. 3.7, б), определяется из известного уравнения

, (3.28)

где р — полное давление, развиваемое вентилятором, Па; р_г;— гид­ростатическая составляющая полного давления вентилятора, Па; р_п — полные потери давления в воздуховодной сети, Па.

, (3.29)

где р_к и р_т — средние плотности двух сообщающихся столбов воз­духа одинаковой высоты Н (м), расположенных соответственно в карьерном пространстве и в трубопроводе, кг/м³; g — ускорение свободного падения, м/с².

(3.30)

где λ — коэффициент сопротивления трению; L_э — эквивалентная (расчётная) длина трубопровода, м; D — внутренний диаметр тру­бопровода, м; π =3,14159 — отношение длины окружности к ее ди­аметру ; А=λ,• L_э /D; В = 8• р_т• Q²/(π ²-D⁴).

, (3.31)

После подстановки выражений (3.29), (3.30) и (3.31) в выраже­ние (3.28), получаем

, (3.32)

где С = [H ∙ g ∙ (p_k – p_Т) + (А + 1) ∙ В] /η.

Мощность воздействия трубопроводной вентиляционной системы (ТВС) на атмосферу карьера

N_B = N_мех + N_т.воз + N_m.тр + N_т.вен, (3.33)

где N_меx — механическая мощность воздушной струи на выходе из ТВС, Вт; N_т.воз — тепловая мощность воздушной струи, Вт; N_m.тр — тепловая мощность потерь энергии в трубопроводе, Вт; N_т.вен — теп­ловая мощность потерь энергии в вентиляторном агрегате, Вт.

N_мех = р_д ∙ Q = B ∙ Q, (3.34)

N_т.воз = с_р ∙р_Т ∙ ΔТ ∙ Q, (3.35)

где с_p — удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг ∙ К); ΔТ = Т₁ – Т₂ — разность температур атмосферного воздуха в точках входа и вы­хода из трубопроводной сети, К.

N_m.тр = р_n ∙Q = A ∙ B ∙ Q, (3.36)

N_т.вен = (1 – η)∙N = (1 – η) ∙ C ∙ Q (3.37)

Подставляя формулы (3.34), (3.35), (3.36) и (3.37) в формулу (3.33), получим:

. (3.38)

Наконец, подставляя выражения (3.32) и (3.38) в выражение (3.27), получим:

. (3.39)

Уравнение (3.39) позволило оценить показатель эффективно­сти энергетического воздействия А" для различных условий при­менения нагнетательных ТВС (рис. 3.8, 3.9) при стандартном состоянии атмосферного воздуха, имеющего температуру Т₁ = 293,15 К, давление р₁ = 101325 Па, плотность р₁ = 1,204кг/м³, кинематическую вязкость v = 15∙10^-6 м²/с и удельную теплоем­кость с_р = 1005 Дж/(кг∙К). Дополнительно использовались следу­ющие расчетные выражения:

L_э=1,1 • Н/sin 45°,

λ=0,11 • (К_э/D + 68/Rе)^0,25,

T₂=T₁+γ ∙ H,

p₂ =p₁ ∙ (T₁/T₂)^{H/(29,27 ∙ ΔT)},

p₂=p₂/(R ∙ T),

p_T = p_1,

p_k = (p₁ + p₂)/2,

Р_к = (р,+Р₂)/2,

где K_э = 0,001 ∙ D — эквивалентная шероховатость внутренней по­верхности трубопровода, м; Rе = 4 • Q /(ν • π • D) — число Рейнольдса; T₂ и р₂ и р₂ — соответственно температура (К), статическое дав­ление (Па) и плотность (кг/м³) атмосферного воздуха в точке выхо­да из вентиляционной сети; γ— вертикальный температурный гра­диент, К/м; R — газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг∙К).

Рис. 3.8. Зависимость показателя эффективности энергетическо­го воздействия К и потребляемой мощности N трубопроводной вен­тиляционной системы от расхода воздуха Q (а), внутреннего диамет­ра трубопровода D (б), геодезической высоты вентиляционной сети Н (в) и вертикального температурного градиента γ (г) при общем КПД вентилятора с электродвигателем η = 0,6

Рис. 3.9. Зависимость показателя эффективности энергетического воздействия K и потребляемой мощности N трубопроводной венти­ляционной системы от расхода воздуха Q (a), внутреннего диаметра трубопровода D (б), геодезической высоты вентиляционной сети Н (в) и вертикального температурного градиента γ (г) при общем КПД вентилятора с электродвигателем η = 0,75

Результаты расчетов подтверждают высокую энергетическую эффективность нагнетательныхТВС при разрушении атмосферных инверсий в глубоких карьерах. В ряде случаев показатель эффек­тивности энергетического воздействия К у этих вентиляционных систем в десятки раз превосходит аналогичный показатель исполь­зования БТВС (К= 1),

Время, необходимое для ликвидации устойчивости внутрикарьерной атмосферы, путем непрерывного нагнетания воздуха по трубам в соответствии со схемой, показанной на рис. 3.7, б, можно определить по формуле:

, ч (3.40)

где Е_о — дефицит энергии неустойчивости атмосферы карьера, кВт∙ч; Е' и N΄_B — соответственно количество энергии (кВт∙ч) и мощ­ность энергетического воздействия (кВт), необходимые для изме­нения вертикального температурного градиента атмосферы карь­ера с инверсионного γ до изотермического γ_и = 0 К/м; Е" и N" — соответственно количество энергии (кВт • ч) и мощность энергети­ческого воздействия (кВт), необходимые для изменения вертикаль­ного температурного градиента атмосферы карьера с изотерми­ческого γ_и до адиабатического γ_а = 0,01 К/м (так как при отсутствии инверсии показатель эффективности энергетического воздействия ТВС К=1, N"_В = N.

, (3.41)

. (3.42)

, (3.43)

где К_ср — усредненный показатель эффективности энергетическо­го воздействия вентиляционной системы на атмосферу карьера при изменении вертикального температурного градиента с инверсион­ного у до изотермического γ_и .

Подставляя выражения (3.41 ), (3.42) и (3.43) в выражение (3.40), получим:

. (3.44)

Проанализируем работу нагнетательной ТВС, обеспечивающей подачу воздуха Q = 300 м³/с по трубам с внутренним диаметром D = 5 м при КПД η = 0,75 в карьер глубиной Н = 300 м с температур­ной инверсией γ = - 0,05 К/м и дефицитом неустойчивости атмос­феры Е₀ = 9,6 ∙ 10³ кВт ∙ ч (данные по карьеру взяты из табл. 3.3).

На первой стадии работы ТВС (до достижения карьерной ат­мосферой изотермического состояния) показатель эффективнос­ти энергетического воздействия вентиляционной системы будет снижаться с K₁ = 25 до К₂= 1 (см. рис. 3.9, г). Так как характер этого изменения близок к линейному, то с некоторым приближением можно принять K_ср = (К₁ + К₂)/2 = 13.

Мощность, потребляемую ТВС, определяем из соответствую­щего графика на рис. 3.9: N = 230 кВт.

В процессе разрушения инверсии величина гидростатической составляющей полного давления вентилятора p_г постепенно умень­шится до значений близких к 0 Па, что при неизменном значении потребляемой мощности N вызовет некоторое увеличение расхо­да воздуха Q в трубопроводной сети.

Время, необходимое для разрушения устойчивого состояния атмосферы карьера с восстановлением естественных воздухообменных процессов, определяем по формуле (3.44):

.

Для получения аналогичных результатов при применении БТВС по­надобилась бы установка мощностью N=Е_о / t = 9,6 • 10³/9,6 = 1000 кВт, что в 4,3 раза больше мощности силовой установки ТВС.